周 鹏， 孙鑫伟， 宋栩潮

（中国石油大学（华东）海洋与空间信息学院，山东 青岛 266580）

0 引言

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种重要的微波遥感成像雷达，具有全天时、全天候和高分辨率成像的特性，在地形测绘、海洋监测、灾害救援等领域有广泛的应用。SAR 图像质量评测是评估SAR系统性能的关键，是一项具有重要意义的基础性工作。利用评测结果不仅可以比较SAR 系统性能的优劣，也可以为SAR 系统的设计提供依据，进而不断改进SAR系统［1］。

然而，SAR图像评测相关知识具有较强的理论性和实践性，以教师授课为中心的传统教学模式难以满足课程实际需求，大多数学生在学习过程中仅仅停留在理解主要图像质量参数的字面含义上，无法较好地理解和掌握SAR 图像质量指标以及整个评估流程和相关评测方法［2-3］。同时，SAR 图像的信息表达方式与光学图像有很大差异，使得SAR 图像的处理、评测和应用比光学图像困难得多［4］。实际科研应用中，图像判读人员都须经过专项训练，综合多名图像判读人员的评测后才能给出最终判读结果。并且随着SAR技术的迅速发展，其分辨率也在不断提高，传统的人工判读已经难以完成庞大的工作量［5-6］。

为了提升雷达信号处理等专业学生的实践能力，将SAR融入实验教学课程中，前人已经开展了一些有意义的工作。丁泽刚等［7-9］针对SAR实验教学进行了SAR成像算法和SAR系统仿真平台的设计与研究，石书祝［10］设计了利用地基SAR 系统对地物目标进行成像的实验项目。王志勇［11］对开源软件辅助下的SAR数据处理等微波遥感类实践教学进行了改革与探索。从上述的实验教学平台研究情况可知，现有的大部分平台都是针对SAR系统分析、成像算法及数据处理内容而设计的，而围绕SAR图像质量评测相关实验教学平台的研究几乎未有涉及。

本文结合本校专业特色和教师的科研任务，设计并实现了一套SAR 图像质量评测实验教学平台。该平台实现了SAR图像质量评估的完整流程，不需要利用雷达实物就能完成对雷达图像质量指标的评测。同时，该平台注重加深学生对实际SAR图像质量评测工作机理的理解。学生可以根据需求，通过平台主界面输入数据文件、配置文件和雷达的系统参数，显示出SAR图像，调用指标评测算法进行计算后输出SAR图像指标的评测结果、输出部分指标评测过程的明细，并生成成像指标评测报告。通过学生分组合作编制实现SAR成像处理的Matlab GUI（Graphics User Interface，图形操作界面）程序，生成SAR 图像数据文件和相关配置文件后加载到评测系统中进行评测，能够让学生亲身参与到从SAR 图像生成到输出评测结果的整个流程，使学生得到全方位的锻炼。

1 评测平台设计

1.1 系统需求分析

由于本平台是针对实验教学所设计的，同时服务于科研任务的需要，所以应充分考虑其准确性、灵活性和便捷性。首先要确保软件平台的功能正确、评测过程可靠及评测结果的可信度。其次，应保证平台具有较强的适应能力，且易于学生实践操作，以提高在实验教学环节中的效率［15-16］。另外，在平台开发过程中应充分考虑其开放性与可扩展性，还应支持学生自主编程对平台进行二次开发。

1.2 总体设计思路

平台设计应发挥模拟评估的优势，全面考虑平台的功能需求、人机交互的灵活性、系统的可扩展性等。考虑到Matlab软件的操作简便、研发周期短、矩阵运算能力强、交互能力强等优点，平台采用Matlab 语言进行开发，以GUI 的方式提供用户操作界面，便于实现良好的人机交互感，充分调动学生的学习热情。

根据系统设计目标及需求分析，本实验平台主要由5 个模块组成，分别为系统设置模块、数据加载模块、系统参数输入模块、图像显示模块和图像指标计算模块，如图1 所示。其中，系统设置模块的主要作用是使平台具有灵活的系统配置，便于根据评测时的实际需求对平台进行预先设置；数据加载模块作为平台的输入接口，用来加载显示图像与计算图像指标所需的各类数据文件、配置文件等；系统参数输入模块的作用是供操作人员手工输入SAR系统的相关参数；图像显示模块用来显示从SAR 图像数据文件的图像矩阵中得到的微波图像；图像指标计算模块作为平台的核心模块，其主要作用是根据输入数据文件中的数据内容、配置文件中的配置信息、手工输入的系统参数等，调用评测算法进行计算后输出图像指标评测结果、输出部分指标的明细并生成成像指标评测报告。

图1 实验教学平台的组成方框图

1.3 SAR图像质量指标评测方法

本平台在综合考虑常用的SAR 图像质量指标的基础上，进一步完善了常用指标的评测方法，确保能够对SAR图像质量指标进行准确、可靠、高效的评估，平台支持的主要指标及其评测方法如下。

（1）成像分辨率。通过读取SAR 图像数据文件中的相关数据确定角反射器的脉冲响应函数，并对其进行指定倍数（可由操作人员设置）的插值运算；从主瓣峰值两侧分别记录幅度值下降到主瓣峰值0.707 倍以下的第1 个像素，得到两侧边界间相隔的像素数；再将所得像素数乘以行/列间隔对应的距离值，得到当前角反射器的距离向/方位向分辨率；利用上述方法，将所有角反射器的计算结果求平均后作为最终的指标值进行输出。

（2）峰值旁瓣比。在计算成像分辨率的基础上，将主瓣峰值与成像分辨率边界间相隔的像素数乘以2，得到主瓣边界；寻找主瓣边界外最大的旁瓣峰值，并用最大旁瓣峰值除以主瓣峰值得到峰值旁瓣比；利用上述方法，将所有角反射器的计算结果求平均后作为最终的指标值进行输出。

（3）积分旁瓣比。利用计算峰值旁瓣比的方法得到主瓣边界后，计算主瓣能量；将主瓣峰值所在位置减/加若干像素（原始间隔像素数*插值倍数，可由操作人员设置），得到旁瓣边界，并计算旁瓣能量和；用旁瓣能量除以主瓣能量得到积分旁瓣比；利用上述方法，将所有角反射器的计算结果求平均后作为最终的指标值进行输出。

（4）斜距精度和多普勒精度。通过读取斜距数据文件及相关配置文件的内容，确定角反射器个数及每个角反射器的斜距/多普勒测量值；根据飞机基准数据文件中的天线实时坐标等信息得到斜距/多普勒真实值；计算所有角反射器斜距/多普勒误差绝对值的均值、标准差、均方根误差，作为最终的指标值进行输出。

（5）成像幅宽。读取SAR图像数据文件的相关内容，采用中值分割将灰度图像转换为二值化图像，利用数学形态学中的闭运算填充图像中的空洞，去掉图像中的孤立小亮块，估计出图像有效区域的长和宽，从而得到当前帧对应的距离、方位成像幅宽；将所有数据帧的结果求平均后作为最终的指标值进行输出。

（6）成像畸变。读取SAR图像数据文件的内容，计算各个角反射器的几何中心、各对角反射器（某两个角反射器组成一对）之间的距离；根据角反射器基准数据文件计算各对角反射器之间的真实距离；利用下式计算各对角反射器对应的相对几何形变量：

其中：Lc（i）为从图像中获取的角反射器对距离值；Lt（i）为角反射器对真实距离值；P′为满足要求的角反射器对数。计算得到各对角反射器的相对几何形变量后，计算出所有角反射器对形变绝对值的均值、标准差、均方根误差、最大值，作为最终的指标值进行输出。

1.4 主要模块设计

本实验平台包括系统设置模块、数据加载模块、系统参数输入模块、图像显示模块和图像指标计算模块，平台工作流程图如图2 所示。模块具体设计如下。

图2 平台工作流程图

（1）系统设置模块。为了保证评测过程的灵活性，在进行评测之前，需要在系统设置模块中根据实际需求对平台进行设置。系统设置内容主要包括：显示SAR图像时所使用的色标、计算分辨率等指标时采用的插值倍数、确定旁瓣边缘位置的像素数、数据文件的存储格式是否为高字节存放在高地址等。

（2）数据加载模块。数据加载模块要求用户加载计算成像指标与显示图像所需的数据文件和配置文件，包括SAR图像数据文件、SAR 斜距数据文件、SAR多普勒数据文件、角反射器位置基准数据文件、飞机基准数据文件、几何形变配置文件、信噪比配置文件、图像中的角反射器位置数据文件、标校参数文件等。其中，每个数据文件和配置文件都有对应的格式要求，输入的文件必须符合相应的格式要求。

（3）系统参数输入模块。系统参数输入模块用于供操作人员输入被评测系统的相关参数。由于不同雷达系统的参数可能不同，故采用手工输入的方式进行设置。输入相关参数主要包括角反射器后向散射系数（Radar Cross Section，RCS）、噪声系数、大气衰减系数和归一化等效噪声系数等。

（4）图像显示模块。图像显示模块主要用于显示从SAR图像数据文件的图像矩阵中得到的微波图像以及该微波图像对应的幅宽图。由于SAR 数据文件可能包含多帧数据，所以该模块允许操作人员指定显示的帧号，从而为用户提供更好的交互感。

（5）图像指标计算模块。当所需的数据文件、配置文件和SAR系统参数全部输入完毕，且图像显示正确时，可进入图像指标的计算环节。根据输入数据文件中的数据内容、配置文件中的配置信息、手工输入的系统参数等，调用评测算法进行计算后输出图像指标评测结果。为了使评测结果更加具体，除了计算指标的最终输出结果外，该模块还可输出各角反射器的脉冲响应函数图、成像畸变明细误差和距离多普勒精度明细误差表等。最终，操作人员可选择将指标结果输出到Excel表格中生成评测报告。

2 评测平台的实现

平台基于Matlab 环境开发，实现了系统设置、数据加载、系统参数输入、图像显示和图像指标计算5 个软件模块。

平台的主操作界面如图3 所示。通过该界面，可以完成加载数据文件和配置文件、输入相关参数、显示成像结果、计算成像指标、生成评测报告等操作。

图3 平台的主操作界面

2.1 系统设置模块

如图4 所示，该模块主要实现显示图像所用色标、计算分辨率时使用的插值倍数、确定旁瓣边缘位置的原始像素数、数据文件的存储格式是否为高字节存放在高地址等的设置。在进行SAR 图像指标评测之前可根据实际评测需求在系统设置模块对平台进行设置，为操作人员提供灵活、个性化的评测方案。

图4 系统设置模块的界面

2.2 数据加载模块

如图5 所示，该模块实现了SAR数据文件及配置文件的加载功能，加载成功后会显示文件路径。同时，在平台主界面可查看数据文件和配置文件的加载状态（见图3），包括“未加载”“加载不全”和“成功加载”，便于用户更加直观地了解当前数据文件的加载状态，提升用户使用平台的交互感和便捷性。

图5 数据加载模块的界面

2.3 系统参数输入模块

如图6 所示，该模块主要实现待评测系统相关参数的输入。另外，为了使用户更加直观的了解当前相关参数的输入状态，平台主界面中设置了单独的状态显示区，输入参数的输入状态包括“未输入”“输入不全”和“成功输入”（见图3）。

图6 系统参数输入模块的界面

2.4 图像显示模块

如图7 所示，该模块主要实现显示SAR成像结果和当前帧幅宽图的功能。由于SAR 数据文件可能包含多帧数据，所以该模块还可实现不同帧之间图像的切换功能。学生可以通过该模块直接观察到评测图像，有利于学生对SAR 图像产生更加清晰的认识与理解。

有的大学生发现他们在课堂上所学的专业知识不足以应对实践过程中出现的问题。书本知识相对陈旧，学生很难将书本知识快速且有效地运用到实践工作当中。这会导致大学生对社会实践兴趣的下降，不利于社会实践的顺利开展。

图7 图像显示模块的界面

2.5 图像指标计算模块

图像指标计算模块作为平台的核心模块，其根据输入数据文件中的数据、配置文件中的配置信息、手工输入的系统参数等，调用评测算法进行计算后输出图像指标评测结果、输出部分指标的明细，并生成成像指标评测报告。如图8（a）所示，为图像指标计算模块主要输出界面。另外，该模块还实现了输出部分指标明细的功能，如图8（b）、（c）、（d）所示，分别为角反射器的点扩散响应函数（Point Spread Function，PSF）图、距离多普勒精度明细误差和成像畸变明细误差。

图8 图像指标计算模块的界面

3 评测平台的实验教学应用

3.1 实验教学设计

在实验教学环节中，要求学生以小组为单位进行实验。由教师提供四组参数，分别为两组点目标和两组面目标的参数。每个小组在点目标和面目标参数中分别挑选一组进行实验，确保实验教学的多样性。具体实验要求如下：

（1）编写Matlab GUI程序，该程序用于实现SAR成像处理算法的功能，生成评测平台所需的SAR图像数据文件及配置文件。

（2）每个小组将选择的两组SAR 参数分别输入到设计的GUI界面中，生成对应的SAR数据文件及配置文件，确保各文件能够在评测软件中加载成功，实现与评测软件的衔接。

（3）评测平台的图像显示模块应能显示对应的点目标或面目标图像。

（4）评测平台的图像指标计算模块应能输出合理的指标参数，且能生成指标评测报告。

（5）按照实验指导书规定内容，撰写实验报告，开展现场演示答辩，对小组实验成果进行考评。

3.2 实验效果

结合“雷达技术与微波遥感”“雷达信号处理”课程的实际教学，要求学生以小组为单位开发Matlab GUI程序生成SAR图像数据文件和相关配置文件，然后将所生成的SAR 图像数据文件和配置文件加载到评测平台进行指标评测并输出指标评测报告，实验结束后以小组为单位合作撰写实验报告。

图9 为某组学生的优秀作品展示。其中，图9（a）为学生编制的SAR 图像数据文件生成界面，图9（b）为学生编制的配置文件生成界面。通过子图9（a）的界面，学生可以通过输入相关参数，调用自己所编制的成像处理程序，在界面上显示SAR 图像结果，同时输出SAR图像数据文件。通过图9（b）的界面，学生可以生成所需的配置文件。

图9 学生优秀作品展示

学生生成了所需的SAR 图像数据文件和配置文件后，加载到评测平台中进行SAR图像指标评测并输出评测报告。教师可以根据评测报告中的SAR 图像指标值评判学生编制的成像处理程序的质量，从而便于为学生评分。另外，为了更加全面的考察教学改革效果，在课程结束后组织班级学生进行了教学效果调查问卷活动。调查结果如表1 所示（1 分表示很不满意，5 分表示很满意），调查内容包括学习兴趣、加深理论内容的理解、自主学习能力、实验操作能力、帮助程度，参与调查问卷人数45 人。调查表明，学生的整体满意度较高，尤其是对加深理论知识的理解、自主学习能力以及帮助程度方面，给予5 分的占比均达到90%以上。

表1 教学效果调查问卷统计表

4 结语

为了提高学生编制雷达成像处理算法程序的能力、使学生掌握SAR 图像的产生和指标评测流程，结合教师科研任务的需要，研发了一套SAR图像质量评测实验教学平台。该平台由系统设置、数据加载、系统参数输入、图像显示和图像指标计算共5 个软件模块组成。在“雷达技术与微波遥感”“雷达信号处理”课程的实际教学中对所研发的评测平台进行了应用，要求学生进行分组，小组成员分工协作编制实现雷达成像处理功能的Matlab GUI程序、将程序输出的SAR图像数据文件和配置文件加载到评测平台进行评测并输出评测报告、撰写实验报告。通过上述实践，学生提高了SAR成像处理程序编制能力和图形操作界面程序编制能力，熟悉了SAR图像从产生到输出指标评测结果的完整流程，锻炼了团队协作能力。评测平台输出的评测报告也为教师评判学生编制程序的质量提供了量化依据。未来，将继续扩充所研发的SAR图像质量评测实验教学平台的功能，支持学生选定定标场地、布设角反射器等方面的训练。